§ 11. Наноматеріали

В яких станах можуть перебувати тверді тіла?

У 1931 року німецькі фізики Макс Кнолл і Эрнст Pyска створили електронний мікроскоп, який уперше дозволив досліджувати об’єкти дуже Majuix розмірів. Цей рік уважаеться початком розвитку нанотех-нологій — науки, в якій вивчаються закономірності фізичних і хімічних систем протяжністю порядку декількох нанометрів або часток нанометра. Один нанометр — це дуже мала величина, яка становить IO^-9 м.

Вперше використання поняття «нанотехнології» відбулося у доповіді, яку зробив американський фізик Річард Фейнман 29 грудня 1959 року. На думку Фейнмана людство з легкістю опанує ноносвіт, якщо навчиться створювати механізми-роботи, які будуть виготовляти зменшені працездатні копії самих себе.

Механізми, створені на атомарному рівні, будуть позбавлені дефектів, притаманних макросвіту.

Пізніше японський фізик Hopio Танігучі ввів термін «нанотехніка», яким запропонував описувати механізми з розмірами, меншими від одного мікрона.

Подальший розвиток науки дозволив використовувати нанотехнології в різних галузях: електроніці, медицині, енергетиці тощо.

Основним завданням нанотехнологій е отримання наноматеріа-лів із заданою структурою і властивостями та їхнє застосування за призначенням.

Наноматеріали — це матеріали, що містять структурні елементи (зерна, кристаліти, блоки, кластери), геометричні розміри яких хоча б в одному вимірі не перевищують 100 нм і які мають якісно нові властивості й характеристики. В нанокристалічних матеріалах істотно змінюються механічні властивості. За певних умов ці матеріали можуть бути надтвердими або надпластичниими. Наприклад, в кристалічного нікелю при переході до нанорозмірів міцність і твердість зростають у декілька разів; додавання алюмінію, структура якого мас нанорозміри, в ракетне паливо значно змінює його швидкість згорання.

Властивості наноматеріалів визначаються їхньою структурою, для якої характерна велика кількість меж поділу. Основний елемент структури — зерно або кристаліт. Якщо наночастинки мають яскраво виражене упорядковане розташування атомів, то їх називають нанокристалітами.

На рисунку 28 зображено один із наноматеріалів — фулерен. Найвідоміший фулерен — молекула, яка складається з 60 атомів карбону. Молекула мас ідеальну форму, схожу на форму футбольного м’яча. Природні фулерени можна знайти в сажі.

Температура плавленням для нанокрис-талів менша, ніж для звичайних кристалів. Це пов’язано з різким збільшенням кількості атомів, що знаходяться біля поверхні нано-кристала.

Використання наноматеріалів дозволяє значно підвищити ефективність існуючих технологій. Сонячні елементи, при виготовленні яких використовують металеві наноантени, можуть поглинати до 80% енергії сонячного світла, тоді як існуючі сонячні батареї можуть використовувати

тільки 20% енергії. В сучасних акумуляторах замість вуглецю використовують іони літію. Це дозволило значно збільшити їхню ємність та розширити діапазон використання. Використання наноматеріалів при виготовленні ліків дозволяє зменшити розмір таблеток та підвищити вміст лікувальної речовини у крові. Наночастинки також широко застосовують у харчовій промисловості та при виготовленні фарб.

Але, з іншої сторони, висока біологічна активність наночастинок може бути небезпечною для здоров’я людини. Багато наночастинок мають високу проникаючу здатність і легко проникають у клітини. Ефекти, пов’язані з попаданням наночастинок у мозок, печінку та інші життєво важливі органи, можуть бути небезпечними для здоров’я та життя живих організмів.

Запитання для самоперевірки

1.    Що таке нанотехнології, які розміри нанооб’єктів?

2.    Які властивості змінюються в наноматеріалів у порівнянні зі звичайними речовинами? Наведіть приклади.

3.    Наведіть приклади використання наноматеріалів.

Завдання 11

і Назвіть матеріали, що використовують у побуті і які містять наноматеріали.

2.    Чому наноматеріали мають інші фізичні властивості, ніж звичайні речовини?

3.    Яка температура плавлення наноматеріалів у порівнянні зі звичайними речовинами?

Це матеріал з Підручника Фізика 8 Клас Пістун